电动汽车动力电池均衡系统的设计和试验

陈 展，周庆辉，邱星慧，刘李艳

(北京建筑大学机电与车辆工程学院城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室，北京100044)

电动汽车动力电池均衡系统的设计和试验

陈 展，周庆辉，邱星慧，刘李艳

(北京建筑大学机电与车辆工程学院城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室，北京100044)

针对成组前电池单体初始性能差异和使用过程中差异的放大等不良问题，考虑到主动均衡和被动均衡的优缺点，提出了一种电池单体之间采用主动均衡，电池包之间采用被动均衡的新均衡方案。系统以单体电池端电压和电池包端电压作为控制目标参数，根据电池单体的ε值和电池包的δ值与设定的阈值进行比较来控制场效应开关管和三极管的开闭，进而实现主动均衡和被动均衡。实验结果表明，均衡系统在充电、放电两种状态下都能够起到均衡效果，从而说明了均衡系统的有效性，达到了设计的目的。

动力电池组；主动均衡；被动均衡；均衡系统

Abstract:Due to the difference of initial performance of single battery and the enlargement of the difference in use process,the advantages of active equalization and disadvantages of passive equalization were taken into account.A new type vehicle power battery balance system,which combined of inter-cell active balanced circuit and battery peak passive balanced circuit,was presented.The system took the single cell terminal voltage and the voltage of the battery pack as the control target,compared the ε value of the battery pack and the δ value of the battery pack with the value of threshold to control the the opening and closing of field effect transistor and bipolar junction transistor to realize the active balance and passive balance.The experiment results show that equalization system in two states of charging,discharge can play a balanced effect.The validity of the equilibrium system was illustrated and the purpose of design was achieved.

Key words:vehicle power battery;active balance;passive balance;balance system

动力电池作为电动汽车的动力来源，由于电池的容量比较低，不能够满足汽车动力系统的要求，因此需要将电池单体串联，形成电池组以提高供电电压和存储能量。由于电池单体自身制作工艺等原因，不同单体之间存在着差异，这些差异会导致串联的电池组每个电池单体之间充放电电压的不同，产生不良的影响，甚至导致人身安全，所以需要通过均衡技术来减小这种差异。

均衡技术大致分为主动均衡和被动均衡。被动均衡主要为电阻放电式均衡，通过电阻消耗电量，产生热量来换取电池的均衡，这种均衡结构简单，放电速度快，可多个单体同时放电，但是只能放电不能充电。主动均衡主要是电感式均衡、电容式均衡、双向DC-DC变流器均衡和多绕组变压器均衡等。电感式均衡可以实现相邻电池单体之间的能量同时传递，可以减少均衡时间，但是只能在相邻之间传递能量，结构复杂。电容式均衡控制简单，可以实现充电和放电的均衡，但是均衡速度较慢。双向DC-DC变流器均衡成本较高。多绕组变压器均衡设计复杂，而且价格较贵，需要根据不同的电池单体数量改变绕组个数，不易于电池的扩展[1－4]。

综合上述均衡方法的优缺点，本文提出了一种主动均衡和被动均衡融合的方案，即采用电阻消耗和电感储能的均衡方法，这个方案不仅有被动均衡的高效，还有主动均衡的能量无损，可有效提高均衡效果，对电动汽车动力电池的均衡研究有一定的参考价值。

1 均衡控制策略分析

在实验中，端电压是最容易测量的，也是电池单体之间能量差异的直接体现，所以本文选取电池的端电压为控制参考目标。通过式(1)可得所有电池包的电压平均值，将VAb代入式(2)得到每个电池包的δ值，以0.15作为被动均衡的阈值，若δ≥0.15则进行被动均衡。通过式(3)可得电池单体平均电压为VAd，将VAd带入式(4)，可得到每个电池的ε值，以0.1作为主动均衡的阈值，若ε≥0.1时，则进行主动均衡。

式中：VAb为所有电池包的电压平均值；VBi为电池包的电压；N为电池包的个数

式中：VAd为单体电池的电压平均值；Vbi为单体电池的电压；n为电池的节数。

均衡系统工作流程如图1所示，首先进行系统及端口的初始化，其次利用采集板来采集电池单体和电池包的端电压，传送到控制器进行分析，计算出每个电池包内电池单体和所有电池包的平均电压，然后与设定的阈值进行比较，如果小于设定的阈值，则返回电压采集，控制器继续进行计算和比较，若不小于设定的阈值，那么控制器将由PWM驱动电路控制场效应管的开闭和控制三极管的导通来实现主动均衡和被动均衡。设定的阈值要根据实际情况来设定，阈值越小说明周期越长，相反，阈值设置得越大，周期越短，但是均衡效果越差。

图1 均衡系统工作流程图

2 均衡系统设计

2.1 均衡控制系统结构

均衡控制系统结构如图2所示，整个系统包括均衡模块、锂电池单体、锂电池包、电压采集电路及控制器，PTC加热器，充电机等。均衡电路在静置、充电、放电的过程中，都会存在电池单体之间电压和电池包之间电压不一致的问题，通过电压采集模块、控制器模块、均衡模块来实现电池电压的均衡，减小电压不一致带来的损害。

图2 控制系统结构

2.2 被动均衡理论分析

电阻消耗均衡法是通过与单体电池连接的电阻，将高于其他单体电池的能量释放出去，以达到各单体的均衡。在本文设计中将n组电池包串联，如图3所示，每个电池包通过一个三极管Q与一个电阻R相连。在动力电池组充电时，当某个电池包的电压高于设定的均衡阈值时，则三极管在控制器的指示下导通，实现分流，耗散能量来实现均衡[5]。

图3 被动均衡原理图

2.3 主动均衡理论分析

电感均衡法是相邻两个电池单体之间通过MOSFET管与一个电感相连，如图4所示，控制器通过IO口电平状态的变化，输出控制信号经由驱动电路驱动场效应开关管开启，进行主动均衡，直到电压与平均值之差小于设定阈值。即若电池单体容量B1大于B2时，控制器指示M1导通M2断开，B1给电感L1充电，然后M1断开，M2闭合，此时电感将储存的能量释放给B2，实现电池单体间的均衡，为了保证M1、M2不同时导通，会陷入死区，在死区的时间里，电感L1通过B2、D2续流，加入了续流二极管。同时B2也可以给B3传递能量，一直到Bn，直到所有的电池单体能量相同为止[6－10]。

图4 主动均衡原理图

根据基尔霍夫定律可求得电路中的电流，然后可求出电感所存的能量。当B1电压大于B2时，控制器指示M1导通，M2断开，B1给电感充电。

整理可得：

式中：电路内阻为R0；t为电感充电持续时间；i为均衡电流；L1为储能电感；VB1为电池电压。

当电感充完电，M1断开，M2导通，电感L1给B2充电。

整理可得：

式中：Vf为二极管的导通电压，电感电流初始值i0为上一过程的电流终值。

3 主要原件的选择

3.1 二极管

电路中二极管的作用是为了保证相邻两个MOSFET管不同时导通，否则会陷入死区。应具备的特性是导通阻抗小，减小电能消耗，同时降低系统的温升，导通压降小等等。本文选择的二极管型号是SS13。

3.2 电感参数

由于电感值越大，产生的电流纹波越小，但是过大的时候又会使电感的响应速度变慢。由经验式得式(9)：

式中：V为电池电压的最大值，取4 V；D为MOSFET开关管的占空比，取30%；IL为电感设计的最大均衡电流值，取2 A；由式(9)得，L=175 μH。

3.3 MOSFET管

MOSFET管的选择可从漏源极击穿电压、持续漏极电流、开关延时和导通电阻等方面来选择，为了减少回路中的功率损耗及防止MOSFE管发热，要选择导通内阻比较小的MOSFET管。本文选择的场效应管型号为AUIRFB8405，频率为12 kHz，占空比为30%。

4 实验测试与分析讨论

本文选取9节锂电池单体为例，然后组成三个电池包，平均每个电池包3个锂电池单体。每节锂电池的标准电压为4.0 V，过充电压为4.2 V，放电截止电压为2.6 V。

实验的设备主要有QW-305D直流电源(输出电压为0～30 V，输入电压为220 V±22 V)，NBT电池充放电仪器，型号为BTS400400C1(0～400 V±0.1%FS+0.05%RD)，DS-6062 数字示波器，PTC加热器，型号为MZ9-L35W6T2.1V12T60，万用表，电压采集板，均衡电路板，开关等。

4.1 充电状态

首先利用NBT电池充放电仪器使电池单体电压稳定在3 V。然后将电池包、QW-305D直流电源、均衡模块、电压采集板、开关串联起来给电池充电，30min之后测量电池单体和电池包的端电压并记录。利用NBT电池充放电仪器对电池单体进行恒流放电，使每个电池的端电压为3 V，停止放电。将电池包、QW-305D直流电源、开关串联进行充电，30min之后测量电池单体和电池包的端电压并记录，见表1所示。

表1 电池单体和电池包端电压

通过充电实验可知，均衡系统起到了均衡作用，均衡后较未均衡电池单体之间以及电池包之间电压的差值明显缩小，减小了由于单体电池初始性能差异和使用过程中差异的放大所带来的影响，达到了均衡的效果。由图5可知，未均衡之前，三个电池包的电压极差为0.829，通过均衡之后，电池包的电压值折线较未均衡前明显趋于直线，差值明显减小，说明起到了均衡的效果。从图6电池单体均衡和未均衡的折线对比，可以看出未均衡的时候，电池单体的电压极差为0.308，电池单体之间存在很大的差异，通过均衡之后，电池单体之间的极差是0.263，差异明显减小，均衡后的折线较均衡前的折线明显趋于直线，并且通过电池单体4、5、6均衡和未均衡的电压变化可以看出，未均衡的时候，单体4电压高于单体5和单体6，通过均衡之后，单体电压4小于单体5和单体6，而且差异也减小了，说明实现了能量的传递，起到了主动均衡的作用。

图5 电池包端电压均衡与未均衡对比

图6 电池单体端电压均衡与未均衡对比

4.2 放电状态

首先利用NBT电池充放电仪器使电池单体电压稳定在4 V。然后将电池包、PTC加热器、均衡电路板、电压采集板、开关串联，利用PTC放热进行电池放电，20min之后测量电池单体和电池包的端电压并记录。利用NBT电池充放电仪器对电池单体进行恒流充电，使每个电池的端电压达到4 V，停止充电。将电池包、PTC加热器、开关串联进行放电，20min之后测量电池单体和电池包的端电压并记录，如表2所示。

表2 电池单体和电池包端电压

通过放电实验可见，图7中均衡之后的电池单体之间的端电压极差明显减小，均衡之后的电压极差为0.125，未均衡的极差为0.342。从均衡和未均衡的电压对比也可见，均衡之后，电池单体的端电压折线图较未均衡的时候明显趋于直线。每个电池包内电池单体在均衡和未均衡两种状态下电压的变化也可以说明实现了能量的转移，起到了主动均衡的作用。从图8可见，均衡之后的电池包之间的电压差异也明显减小，说明起到了被动均衡的效果。由于充电时间相同，采用了均衡系统的充电实验会因为被动均衡的电阻消耗和主动均衡的电路内阻消耗而损失一部分的电能，解决这个问题的方法就是尽量选择内阻较小的电路元件。

图7 电池单体端电压均衡与未均衡对比

图8 电池包端电压均衡与未均衡对比

5 结论

本文针对电动车动力电池成组前电池单体初始性能差异和使用过程中差异的放大等不良问题，提出了一种主动均衡融合被动均衡的方案，该方案不仅有主动均衡能量传递的优点，而且还有多个电池包可以同时放电的优点。该均衡系统以端电压为控制参考目标，通过控制器来实现MOS管及三极管的通断，从而达到均衡系统工作的目标。通过实验测试可以看出，均衡系统在充电、放电两种状态下都能够起到均衡的效果，使电池单体之间和电池包之间的端电压的差异明显减小，从而证明了该系统的有效性。该系统有效地解决了电池由于制造和使用等原因造成的SOC不一致性的问题，延长了电池的使用寿命，减小了电池的使用安全隐患，对动力电池的均衡系统研究有一定的参考价值。

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Design and test study on balance system of electric vehicle power battery

CHEN Zhan,ZHOU Qing-hui,QIU Xing-hui,LIU Li-yan
(Beijing Key Laboratory of Performance Guarantee on Urban Rail Transit Vehicles,School of Mechanical-Electronic and Vehicle Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)

TM 912

A

1002-087X(2017)09-1358-03

2017-02-14

北京市教育委员会一般科技项目(sqkm20161001-6017)

陈展(1990—)，男，江苏省人，硕士生，主要研究方向为电动汽车电池管理系统。